JPH0210601B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は半導体基板上に形成された複数の伝
送線路をもつマイクロ波モノリシツク集積回路に
関するものである。

＜従来の技術＞ 従来のマイクロストリツプ伝送線路をもつマイ
クロ波回路の一例を第１図及び第２図に示す。

誘電体基板１１の表面にマイクロストリツプ線
路１３〜１６が形成され、裏面に接地導体層１２
およびスロツト線路１８〜２０が形成されてい
る。

ストリツプ線路１３，１４は一直線上に連続し
て形成される。ストリツプ線路１５，１６も一直
線上に連続し、かつストリツプ線路１３，１４と
平行に形成される。ストリツプ線路１３，１４の
接続点とストリツプ線路１５，１６の接続点とが
ストリツプ線路１７で接続される。

スロツト線路１８〜２０は直線上に連続して形
成される。スロツト線路１９は誘電体基板１１を
介してストリツプ線路１７と電気的に結合してい
る。スロツト線路１８，２０は４分の１波長の長
さであり、電気的に開放されている。

この回路の基本動作を第３図の等価回路図を用
いて説明する。

ポート１からの入力信号はポート２，３に分配
され、その位相差は90゜である。ポート４はアイ
ソレーシヨンポートでポート１から完全に分離さ
れている。すなわち、これは従来の方向性結合器
と同一の動作をする回路である。

第５図は平面スロツト伝送線路の電界の方向を
模式的に表わしている説明図である。９はスロツ
ト線路、１０は電界の方向、１１は誘電体基板で
ある。図に示すようにスロツト線路は２つの導体
間で電磁波を伝搬させるものであり、線路幅を適
当に調整することにより線路の特性インピーダン
スを変えることができる。

一方、第６図はスロツト伝送線路を立体的に構
成したときのスロツト伝送線路の電界の方向を模
式的に表わしている説明図である。５，６は導
体、７は導体間の重なり部分、８は導体間の間隔
部分、１１は誘電体基板、ｔは導体間の重なり部
分又は間隔部分の距離、ｄは導体の厚さ、矢印は
電界の方向である。

この伝送線路は第５図に示される導体の片方を
誘電体基板の他方の面に配置したものである。そ
のため電磁界分布は導体膜間の誘電体基板１１内
にのみ存在することになる。このため、任意の特
性インピーダンスを得ることが非常に容易にな
る。たとえば、第６図ａは高インピーダンス線
路、第６図ｂは低インピーダンス線路の一例であ
る。

第４図は基板の両面を用いたマイクロ波回路の
従来の実施例である。図中の１３〜１６は入出力
用マイクロストリツプ線路、６は円形ストリツプ
導体部、５はスロツト空洞部、７，８は上記スロ
ツト空洞部５、円形ストリツプ導体部６で形成さ
れた伝送線路である。図において伝送線路７、伝
送線路８の部分に第６図で得られるインピーダン
スを利用した例である。

図において１３〜１５の線路のインピーダンス
がZ₀の場合、伝送線路７の線路インピーダンスを
Z₀／√２、伝送線路８の線路インピーダンスをZ₀
とすれば、ブランチライン型ハイブリツドリング
が得られる。

第７図は第４図に示すブランチライン型ハイブ
リツドリングの等価回路を示す。ポート１からの
入力信号はポート２及びポート４に分配され、そ
の位相差は90゜である。ポート３はアイソレーシ
ヨンポートでポート１から完全に分離されてい
る。

このように従来の回路構成では基板１１の両面
を用いているため、表面及び裏面のパターンの位
置合わせに対して高い製作精度が要求され、製造
工程を複雑にし、製造価格が高くなる問題があつ
た。

さらにマイクロストリツプ線路からスロツト線
路への変換に４分の１波長程度のスロツト線路を
用いる必要があり、そのため回路形状が大きくな
る問題もあつた。

またこの従来の構成を半導体基板を用いたモノ
リシツク集積回路に適用すると、基板の裏面を用
いているため基板の実装が難しかつた。

また接地導体１２が基板の裏面にあるため、半
導体基板の表面側に設けられた能動素子の接地を
行う場合、回路構造が複雑となり、素子の高周波
特性が劣化する問題があつた。

＜発明が解決しようとする課題＞ この発明の目的は上記課題を解決するために製
造過程での高精度化・小形化が可能で、能動素子
の接地が容易で、良好な高周波特性が得られるマ
イクロ波モノリシツク集積回路を提供することに
ある。

＜課題を解決するための手段＞ 本発明は、マイクロ波モノリシツク集積回路に
おいて、半導体基板上の導体層およびスロツト線
路により形成された複数のコプレナー線路からな
る第１伝送線路、 前記複数の第１伝送線路間に設けられ、両端部
が電気的に開放された４分の１波長の奇数倍の長
さのスロツト線路とそのスロツト線路の上に形成
された絶縁膜とその絶縁膜上に形成された導体
膜、または、 前記複数の第１伝送線路間に設けられ、一辺が
４分の１波長の奇数倍の長さのスロツト空洞とそ
のスロツト空洞上に形成された絶縁膜とその絶縁
膜上に形成された導体膜、 からなる第２伝送線路、 半導体基板上の導体層とその導体層上に形成さ
れた絶縁膜とその絶縁膜上に形成された導体膜と
からなる接続伝送線路、 を設け、 上記複数の第１伝送線路と上記第２伝送線路と
が上記接続伝送線路を介して接続されることを目
的とする。

＜作用＞ 本発明では半導体基板上に第２伝送線路および
接続伝送線路を立体的に形成し、第１伝送線路と
第２伝送線路を接続伝送線路により立体的に接続
することにより、マイクロ波モノリシツク集積回
路を半導体基板上の片面に構成することができ
る。

＜第１の実施例＞ 第８図はこの発明の一実施例を示す。

図において、ガリウムひそやシリコンなどの半
導体基板２１上に金、銅、アルミニウムなどの導
体層２２が形成される。その導体層２２に切られ
た溝によりスロツト線路が形成され、中央のスト
リツプ線路と両側のスロツト線路によつてコプレ
ナー線路２３，２４，２５，２６が形成される。

これらの複数のコプレナー線路２３，２４，２
５，２６により第１伝送線路が構成される。

コプレナー線路２３とコプレナー線路２５およ
びコプレナー線路２４とコプレナー線路２６はそ
れぞれ直線に構成され、これらの両直線線路は平
行に形成される。

また、コプレナー線路２３とコプレナー線路２
５との間およびコプレナー線路２４とコプレナー
線路２６との間を分断し第２伝送線路を構成する
スロツト線路２７が形成される。

さらに、スロツト線路２７の両端は、それぞれ
コプレナー線路２３，２５、およびコプレナー線
路２４，２６の外側よりそのスロツト幅がそれぞ
れ両側に漸次拡大され、スロツト開放部２８，２
９が形成され、両端部が電気的に開放される。

スロツト線路２７の上に酸化シリコンや窒化シ
リコンなどの絶縁膜３１が形成され、その絶縁膜
３１上にAu、Cu、Alなどの導体膜３２が形成さ
れる。これらのスロツト線路２７、絶縁膜３１、
導体膜３２によつて第２伝送線路３３が構成され
る。

一方、導体層２２、絶縁膜３４，３５，３６，
３７、ストリツプ導体膜３８，３９，４０，４１
によつて接続伝送線路が構成される。

この接続伝送線路のストリツプ導体３８，４０
および３９，４１の片方をそれぞれ各コプレナー
線路２３〜２６の中心導体に接続し、他方を第２
伝送線路の導体膜３２に接続することにより、第
１伝送線路と第２伝送線路３３とが接続される。

コプレナー線路２３〜２６の一端（４２〜４
５）はそれぞれ第１伝送線路と第２伝送線路で構
成されるマイクロ波モノリシツク集積回路の入出
力ポートを形成している。

ポート４２からの入力信号はコプレナー線路２
３、ストリツプ導体膜３８を経て第２伝送線路３
３に入力される。入力信号はポート４４、ポート
４３に分配されるが第２伝送線路３３の結合度に
よつて分配率が異なつてくる。

このときの中心周波数は第２伝送線路の長さに
依存し、この線路の長さをちようど４分の１波長
とする周波数がこの回路の中心周波数となる。

第９図は第８図に示したこの発明の一実施例の
等価回路を示す。この第９図の回路は第３図と等
価であるため方向性結合器としての動作原理は従
来の結合線路と同様であり、ポート４２からの入
力信号はポート４４、ポート４３に分配され、ポ
ート４５はアイソレーシヨンポートとなる。

第１０図は第８図の第２伝送線路３３の断面図
である。この線路の結合度は絶縁膜３１の高さ５
１、ストリツプ導体膜３２の幅５２、スロツト線
路２７の線路幅５３を変えることによつて従来の
結合線路型方向性結合器と同様に調整可能であ
る。

ここで、絶縁膜３１の高さ５１は半導体製造プ
ロセスに依存し、通常0.3μｍ〜0.5μｍであり、自
由に選択することは困難なある。そのため、回路
設計する場合にはストリツプ導体膜幅５２、スロ
ツト幅５３を可変することにより所望の特性イン
ピーダンスを得ている。

＜第２の実施例＞ 第１１図はこの発明の他の実施例を示し、第８
図と対応する部分には同一符号を付けてある。

図において、コプレナー線路２３とコプレナー
線路２５との間およびコプレナー線路２４とコプ
レナー線路２６との間に一辺がほぼ４分の１波長
の方形スロツト空洞４６が導体層２２に形成され
る。そのスロツト空洞４６上に絶縁膜３１が形成
され、その上に導体膜３２が形成される。

これらのスロツト空洞４６、絶縁膜３１、導体
膜３２によつて第２伝送線路が構成される。第２
伝送線路において電磁波を空洞４６の縁に沿つた
接地導体２２と導体膜３２との間の絶縁膜３１中
を伝わる。

第１伝送線路と第２伝送線路は立体的に構成さ
れた接続伝送線路のストリツプ導体膜３８〜４１
を経てコプレナー線路２３，２４，２５，２６に
接続される。第１伝送線路は入出力線路を構成
し、入出力ポート４２〜４４に接続される。

第１２図は入出力ポート４２に入力した入力信
号が第１伝送線路２３を経由して第２伝送線路に
伝搬する原理を示している。

入力ポート４２からの信号は第１２図ａに示す
ようにコプレナー線路２３を伝搬する。この回路
では入力線路２３が２つの伝送線路４７，４８に
並列分岐される。この時のスロツト内の電界方向
は矢印１０ａで模式的に表わされる。

第１２図ｂは接続伝送線路および第２伝送線路
内での電磁波の伝搬を図示したものである。電磁
波の電界方向はストリツプ導体膜３８、導体膜３
２からスロツト空洞４６の縁に沿つた接地導体層
の方向である。

第１２図Ｃは第１２図ａを等価回路で表わした
ものである。

第１３図は第１１図に示したこの発明の一実施
例の等価回路を示す。この第１３図の等価回路は
第７図と等価であるため方向性結合器としての動
作原理は従来の結合線路と同様であり、ポート４
２からの入力信号はポート４４、ポート４５に分
配され、ポート４３はアイソレーシヨンポートと
なる。

第１４図は第１１図のハイブリツドリングを構
成する第２伝送線路の一部４７，４９の断面図を
示す。

図において、第２伝送線路の４７，４９の部分
の電磁界分布は第６図の場合に近似しており、第
６図と同様に導体膜３２の幅５４及び絶縁膜３１
の厚さ５１を変えることにより第２伝送線路の特
性インピーダンスを調整できる。

通常、絶縁膜３１の厚さ５１は、第８図の実施
例と同様0.3〜0.5μｍの範囲にあり自由に選択す
ることは困難であることから、導体膜３２の幅５
４を変えることにより所望の特性インピーダンス
を得て回路設計を行つている。

スロツト空洞４６の一辺の長さは、それを４分
の１波長とする周波数が中心周波数になる様に選
ばれる。第２伝送線路の長さ及び特性インビーダ
ンスを適当に変えることにより、従来のラツトレ
ース回路と同様の機能を持たせることも可能であ
る。

また、ハイブリツドリングの結合度は第７図に
示す線路の特性インピーダンスZ₀及びZ₀／√２を
変えることにより調整可能である。

＜効果＞ 以上説明したようにこの発明によるマイクロ波
モノリシツク集積回路は半導体基板の一面でのみ
構成される。このため、半導体素子の製造工程を
用いて半導体素子とマイクロ波モノリシツク集積
回路とを同時に製作でき、回路の低価格化を図る
ことができる。

さらに各伝送線路をエツチング工程のみで製造
できるため、高い精度で回路を実現でき、高い周
波数帯で動作させることができる。

さらに絶縁膜上の導体膜と半導体基板２１の表
面の導体層との間で伝送路を形成しているため、
回路構成の自由度が増大し、種々の機能を有する
回路を構成できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第４図は従来の誘電体基板の両面を
用いたマイクロ波回路を示す平面図、第２図は第
１図のAA′線断面図、第３図は第１図のマイクロ
波回路の等価回路を示す図である。第５図はスロ
ツト線路の断面図、第６図は誘電体基板の両面に
導体がある線路の断面図、第７図は第４図の従来
の誘電体基板を用いたマイクロ波回路の等価回路
図である。第８図、第１１図はそれぞれ本発明の
第１、第２の実施例を示す斜視図である。第９図
は第８図に示す本発明の第１の実施例の等価回路
図、第１３図は第１１図に示す本発明の第２の実
施例の等価回路図である。第１０図は第８図に示
す本発明の第１の実施例のAA′線断面図、第１２
図は第１１図に示す本発明の第２の実施例の動作
原理図、第１４図は第１１図に示す本発明の第２
の実施例のAA′線断面図である。 ２１……半導体基板、２２……導体層、２３，
２４，２５，２６……コプレナー線路、２３〜２
６……第１伝送線路、２７……スロツト線路、３
１……絶縁膜、３２……導体膜、３３，（４６，
３１，３２）……第２伝送線路、３４〜３７……
絶縁膜、３８〜４１……ストリツプ導体膜、（２
２，３４，３８），（２２，３５，３９），（２２，
３６，４０）および（２２，３７，４１）……接
続伝送線路、４６……スロツト空洞。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板上の導体層およびスロツト線路に
   より形成された複数のコプレナー線路からなる第
   １伝送線路と、 前記複数の第１伝送線路間に設けられ、両端部
   が電気的に開放された４分の１波長の奇数倍の長
   さのスロツト線路とそのスロツト線路の上に形成
   された絶縁膜とその絶縁膜上に形成された導体膜
   とからなる第２伝送線路と、 半導体基板上の導体層とその導体層上に形成さ
   れた絶縁膜とその絶縁膜上に形成された導体膜と
   からなる接続伝送線路と、 から構成され、 上記複数の第１伝送線路と上記第２伝送線路と
   が上記接続伝送線路を介して接続されるマイクロ
   波モノリシツク集積回路。 ２ 半導体基板上の導体層およびスロツト線路に
   より形成された複数のコプレナー線路からなる第
   １伝送線路と、 前記複数の第１伝送線路間に設けられ、一辺が
   ４分の１波長の奇数倍の長さのスロツト空洞とそ
   のスロツト空洞上に形成された絶縁膜とその絶縁
   膜上に形成された導体膜とからなる第２伝送線路
   と、 半導体基板上の導体層とその導体層の上に形成
   された絶縁膜とその絶縁膜の上に形成された導体
   膜とからなる接続伝送線路と、 から構成され、 上記複数の第１伝送線路と上記第２伝送線路と
   が上記接続伝送線路を介して接続されるマイクロ
   波モノリシツク集積回路。